最新古元古代における強烈な酸化風化のパルスに関する研究報告

学術的背景

地球大気中の酸素レベルは、海洋生態系の生態および生物地球化学的機能に深い影響を与えています。約25億から22億年前に発生した「大酸化イベント」（Great Oxidation Event, GOE）は、大気中の酸素レベルが微量から現代大気レベルの10^-5以上に上昇したことを示しています。しかし、その後約10億年にわたって、大気中の酸素レベルは低いレベルに低下しましたが、具体的なレベルはまだ不確かです。近年の研究によると、この期間の酸化還元環境は以前考えられていたよりも複雑であり、複数の酸素パルスイベントが存在したことが示されています。しかし、これらの酸素パルスイベントの原因と範囲はまだ不明です。

これらの問題を探るため、研究者たちは華北クラトン（North China Craton, NCC）の16.4億年前の黒色頁岩と白雲岩を分析しました。これらの岩石は、コロンビア超大陸（Columbia supercontinent）の分裂期間中に堆積した堆積物を表しています。これらの岩石の元素濃度、レニウム-オスミウム（Re-Os）および銅（Cu）同位体組成を研究することで、研究者たちは陸地の風化過程および最新古元古代の大気酸素レベルの進化を評価することを目指しました。

論文の出典

この論文は、Xiuqing Yang、Guowei Yang、Chao Li、Kurt O. Konhauser、Changzhi Wu、Fang Huang、およびJingwen Maoによって共同執筆されました。著者らは、長安大学地球科学資源学院、中国地質科学院国家地質分析センター、アルバータ大学地球大気科学科、中国科学技術大学地球宇宙科学学院、および中国地質科学院鉱産資源研究所に所属しています。論文は2024年9月25日に「Geology」誌にオンライン掲載され、DOIは10.1130/g52373.1です。

研究のプロセス

1. サンプルの採取と処理

研究者たちは、河北省赤城県曾家溝鉄鉱のZK83-6ボーリングコアから串嶺溝層（Chuanlinggou Formation）の黒色頁岩と白雲岩のサンプルを採取しました。これらのサンプルは、詳細な岩石学的検査の後、総有機炭素（Total Organic Carbon, TOC）、総硫黄（Total Sulfur, TS）、主要および微量元素、Re-OsおよびCu同位体分析を行いました。

2. 実験方法

• 総有機炭素と総硫黄分析：標準的な方法を使用してTOCとTSの含有量を測定しました。
• 主要および微量元素分析：X線蛍光分析法（XRF）および誘導結合プラズマ質量分析法（ICP-MS）を使用して測定しました。
• Re-Os同位体分析：逆王水（inverse aqua regia）法を使用してサンプルを溶解し、ブランクレベルを低減しました。熱電離質量分析法（TIMS）を使用してReおよびOs同位体組成を測定しました。
• Cu同位体分析：多検出器誘導結合プラズマ質量分析法（MC-ICP-MS）を使用してCu同位体組成を測定しました。

3. データ分析

• Re-Os同位体データ：初期187Os/188Os比を計算し、堆積時の海水のOs同位体組成を反映しました。
• Cu同位体データ：δ65Cu値を計算し、酸化風化過程を評価しました。
• Th/U比および化学風化指数（CIA-K）：陸地の風化強度を評価するために使用しました。

主な結果

1. 黒色頁岩と白雲岩の元素組成

黒色頁岩サンプルのTOCおよびTS含有量はそれぞれ0.13-4.68 wt％および0.03-2.13 wt％であり、白雲岩サンプルのTOCおよびTS含有量はそれぞれ0.05-0.64 wt％および0.02-0.62 wt％でした。黒色頁岩のTh/U比は0.94-7.21の範囲で、平均値は4.53であり、強烈な酸化風化を示しています。

2. Re-Os同位体組成

黒色頁岩サンプルの初期187Os/188Os比は0.84-1.34で、平均値は1.06±0.14であり、現代の海水値（~1.06）と類似しています。白雲岩サンプルの初期187Os/188Os比は0.58-0.93で、平均値は0.72±0.13でした。

3. Cu同位体組成

黒色頁岩サンプルのδ65Cu値は-0.19‰から0.43‰で、平均値は+0.12‰±0.17‰であり、GOEおよびGOE後の頁岩と類似しています。

4. 化学風化指数

全体の断面のCIA-K値は84-99であり、強烈な化学風化を示しています。

議論と結論

1. 酸化風化の証拠

高い初期187Os/188Os比、正のδ65Cu値、高いTh/U比、およびCIA-K値は、16.4億年前の陸地風化過程が強烈な酸化風化を特徴としていたことを示しています。これらの発見は、GOE後の風化過程と類似しており、この時期に酸素パルスイベントが発生した可能性を示唆しています。

2. 強烈な陸地風化の起源と原因

研究者たちは、コロンビア超大陸の分裂が陸地風化の増加を引き起こしたと考えています。超大陸分裂期間中、新鮮な基性岩の風化により海洋中のリン供給が増加し、藍藻の光合成を刺激し、酸素生産速度を向上させました。さらに、超大陸分裂は海岸線を拡大し、藍藻により多くの浅水域の生息環境を提供しました。

3. 科学的価値と応用価値

この研究は、古元古代の大気酸素レベルの進化を理解するための新しい証拠を提供し、超大陸分裂と酸素パルスイベントの間の可能な関連性を明らかにしました。研究結果は、地球初期の酸化還元環境の複雑性と酸素生産の駆動メカニズムを理解する上で重要な意義を持っています。

研究のハイライト

• 重要な発見：16.4億年前の陸地風化過程は強烈な酸化風化を特徴としており、酸素パルスイベントに関連している可能性があります。
• 方法の革新：逆王水法を使用してRe-Os同位体分析を行い、ブランクレベルを低減し、データの精度を向上させました。
• 研究対象の特殊性：研究サンプルは華北クラトンの串嶺溝層から採取され、この地域で最も保存状態の良い18-8億年前の黒色頁岩の一つです。

その他の価値ある情報

研究では、コロンビア超大陸分裂期間中の大規模火成岩地域（Large Igneous Provinces, LIPs）の活動が、陸地風化と酸素生産をさらに促進した可能性があることも発見しました。これらの発見は、地球初期の酸化還元環境の進化を理解するための新しい視点を提供します。